貝葉斯網絡法的電源變電站供電可靠性分析

周迎偉，于立強，尹兆磊，張艷春，高明亮

(國網冀北電力有限公司承德供電公司，河北 承德 067000)

隨著社會的不斷進步，社會對電能的需求與依賴性也大幅提升，對電能質量的要求也日趨嚴格。電力系統逐漸成為國民經濟的關鍵基礎設施之一[1]。電力系統運行的可靠性、穩定性直接關系著國家經濟發展與社會穩定[2]。

電源變電站是給用戶供電、配電的關鍵環節，連接著整個輸變電系統、發電系統與萬千用戶，直接關系著電力系統的供電能力。若是電源變電站供電出現問題，不但會影響用電客戶的使用體驗，也會影響社會的整體穩定性。由此可見，電能供應事故對國家發展具備較大的沖擊性，一旦發生，后果不堪設想。因此，電源變電站供電可靠性作為衡量變電站優劣的基本標準之一，逐漸受到相關企業與國家的重點關注[3]。

為了保障電源變電站的穩定運行，提升電能供應的可靠性，本文提出了基于貝葉斯網絡法的電源變電站供電可靠性分析方法，實時對電源變電站供電可靠性進行判斷，為用戶提供更優質的電能供應服務。

1 基于貝葉斯網絡法的電源變電站供電可靠性分析方法

1.1 供電可靠性影響因素探究

常規情況下，電源變電站供電可靠性會受到眾多因素的影響，對供電可靠性分析帶來了較大的阻礙，為了提升供電可靠性分析精度，必須探究其影響因素[4]。為了方便研究的進行，此研究將影響因素劃分為三部分，分別為元件可靠性、系統可靠性與設備重要性。

(1) 元件可靠性。此影響因素主要描述的是元件完成規定功能的程度。一般情況下，元件循環穩態過程為“運行一停運一運行”[5]。元件可靠性可以簡單看作長期循環過程中，元件的平均可用率，計算公式為：

(1)

式中，A為元件可靠性指標數值；μ為修復率；λ為失效率；MTTR為平均修復時間；MTTF為失效前平均時間[6]。

式(1)中，μ與λ以年為單位，而MTTF與MTTR以小時為單位，則μ與λ的計算公式為：

(2)

式中，d和r為以年為單位計量的MTTF與MTTR。

(2)系統可靠性。此影響因素指的是電源變電站各個子系統在一定的工況下或者一定的時間內，完成預定功效的性能。此研究通過功效評估法對系統可靠性進行定量衡量[7]。系統可靠性指標計算公式為：

(3)

式中，RS為系統可靠性指標數值；P1、P2、P3與P4分別為開關控制功能、閉鎖功能、同步功能與指示功能對應的可靠性數值；AS1為系統等效可用率；PPSU為電源可用率；PPU為數據處理模塊的可用率；PDO為開關量輸出模塊的可用率；POPT為光纖的可用率；PDI為開關量輸入模塊的可用率；PSR為同步繼電器的可用率；PAI為數據采集模塊的可用率。

(3)設備重要性。電源變電站是由多個子系統構成的復雜體，具有控制、計量、保護等多種基礎功能[8]。電源變電站包含的設備存在的危險性也是不同的，故此研究利用重要度因子來顯示設備對供電可靠性的影響程度[9]。設備對供電可靠性的等效故障率計算公式為：

λei=Liλi

(4)

式中，Li為重要度因子；λi為設備故障率。

以式(4)計算結果為基礎，對設備等效可用度與等效不可用度進行計算，表達式為：

(5)

式中，Aei為設備等效可用度；μi為設備修復率；Qei為等效不可用度。

通過上述過程完成了供電可靠性影響因素的研究及其分析，為后續電源變電站構成單元定義及其供電可靠性定量分析奠定了堅實的基礎[10]。

1.2 電源變電站構成單元定義

以上述獲得的供電可靠性影響因素為前提，定義電源變電站構成單元，為下述故障樹模型的構建打下堅實的基礎。

此研究以220 kV電源變電站為對象，其供電方式為AT供電，接線方式為V/V，運行方式為兩主兩備，能夠通過四條饋線為用戶提供高質量的電能[11]。電源變電站主接線情況如圖1所示。

圖1 電源變電站主接線示意圖

在電源變電站中，一次電氣設備相關參數直接關系著供電可靠性，并且其具備停工相關性，也就是說若某一個電氣設備出現故障，與其相關聯的電氣設備也會停工[12]。因此，需要對電源變電站中一次電氣設備可靠性參數進行合理的設置，具體如表1所示。

表1 一次電氣設備可靠性參數表

在電源變電站的實際運行中，隔離開關(G11與G12)處于閉合狀態，故在供電可靠性分析過程中，可以將其進行忽略處理，不影響最終的可靠性分析結果[13]。以圖1所示為依據，對電源變電站主接線的串聯單元進行等效處理，為后續研究提供便利，等效處理結果為：

(6)

式中，{Gi,LHi,Di}與{Gj,LHj}為串聯單元；Xi與Xj為等效單元。

通過上述過程完成了電源變電站構成單元的定義，并對其串聯單元進行了等效處理，為后續變電站貝葉斯網絡模型的構建打下了堅實的基礎。

1.3 電源變電站貝葉斯網絡模型構建

以上述定義的電源變電站構成單元為依據，構建電源變電站故障樹模型，并對CCF(共因失效)組進行分解，結合貝葉斯網絡法構建電源變電站貝葉斯網絡模型，為供電可靠性的定量分析提供支撐[14]。電源變電站主要由兩個變電分區構成，若其中一個變電分區出現故障，電源變電站就無法正常運行，因此構建電源變電站故障樹模型，如圖2所示。圖2中，T代表著故障樹的頂事件；A9與A10代表著兩個變電分區的頂事件；A1、A2、A3與A4代表著或門；A5與A7代表著與門；Xi代表著底事件。

在電源變電站運行過程中，電氣設備長期處于室外，由于多種外部環境的影響，致使電氣設備故障率較高，如果發生共因失效就會對供電可靠性產生較大的威脅[15]。因此，分解CCF組可以有效地提升供電可靠性分析的精準度，具體如表2所示。

圖2 電源變電站故障樹模型示意圖

表2 電源變電站CCF組分解表

將構建故障樹的底事件與頂事件分別作為貝葉斯網絡模型的根節點與葉節點，并將底事件先驗概率賦值給根節點。另外，邏輯門也采用節點形式表示，其狀態取值與故障樹狀態值保持一致[16]。貝葉斯網絡模型如圖3所示。這樣完成了電源變電站貝葉斯網絡模型的構建，簡化了變電站的構成結構，為最終供電可靠性分析做準備。

圖3 貝葉斯網絡模型示意圖(1)

1.4 供電可靠性定量分析實現

基于上述構建的貝葉斯網絡模型，結合貝葉斯網絡工具箱，計算電源變電站供電可靠性指標的數值，實現供電可靠性的定量分析，為電源變電站供電性能的保障提供更加有效的支撐。

電源變電站內部結構主要分為并聯與串聯情況，其對應的供電可靠性指標計算方法也存在著差異[17]。其中，并聯情況下，供電可靠性指標——故障率與維修率計算公式為：

(7)

式中，λS與μS代表并聯情況對應的故障率與維修率；λ1與λ2代表并聯等效單元的故障率；μ1與μ2代表并聯等效單元的維修率。

串聯情況下，供電可靠性指標——故障率與維修率計算公式為：

(8)

式中，λR與μR代表串聯情況對應的故障率與維修率；λGi代表第i個構成單元的故障率；μGi代表第i個構成單元的維修率。

以式(7)與式(8)計算結果判定供電可靠性，實現了電源變電站供電可靠性的分析研究，為變電站穩定運行提供支撐，為用戶提供更加優質的電能服務。

2 具體應用實例分析

2.1 實驗對象

選取某種類型的電源變電站作為實驗對象，一次電氣設備數量為：變壓器23臺，隔離開關1個，斷路器4臺。另外，電源變電站服務客戶數量為1183戶，平均負荷達到了209.37kW。電源變電站接線情況如圖4所示。

圖4中，變電站共具有23個負荷點，其相關屬性如表3所示。另外，隔離開關也是影響供電可靠性的關鍵設備，為了保障實驗的順利進行，設置其故障率、替換時間、修復時間均為0h，操作時間為1h。電源變電站無備用電源，饋線無聯絡開關，斷路器可靠動作率設置為80%，熔斷器可靠動作率設置為100%。

圖4 電源變電站接線示意圖

表3 負荷點屬性參數表

2.2 貝葉斯網絡模型構建

以上述選取的對象為基礎，使其每一個元件對應貝葉斯網絡中的一個結點，并對單元變電站中的元件進行分類，確定每個結點的類型，結合電源變電站的整體結構，判定結點之間的邏輯關系，構建貝葉斯網絡模型，如圖5所示。從圖5可知，其是對應圖4的貝葉斯網絡模型，由于篇幅的限制，在示意圖中沒有顯示變壓器結點。根據圖4可知，變壓器結點與負荷結點一一對應。最下層為系統結點，僅有一個。從邏輯關系角度出發，負荷結點與系統結點間呈現為因果關系。

圖5 貝葉斯網絡模型示意圖(2)

2.3 結果分析

依據上述選取的實驗對象，構建的貝葉斯網絡模型，采用貝葉斯網絡工具箱——BNT對供電可靠性指標進行計算，為了直觀地顯示電源變電站供電可靠性情況，構造供電可靠性評估系數，計算公式為：

(9)

式中，ξ為電源變電站供電可靠性評估系數，取值范圍為[1,10]，一般情況下，該數值越大，表明供電可靠性越好；α*與β*為評估系數的計算因子，呈現為隨機常數形式，取值范圍為[0,1]。

在不同接線方式下進行實驗，實驗工況主要劃分為4種。依據公式(9)計算供電可靠性評估系數，將其與實際供電可靠性評估系數進行比較，獲取本文方法具體的應用性能。供電可靠性評估系數如圖6所示。從圖6可知，應用本文方法后，獲得的供電可靠性評估系數與實際結果存在著一定的誤差，最大誤差水平為0.8，不影響電源變電站的正常供電，充分表明本文方法具備可行性與有效性。

圖6 供電可靠性評估系數示意圖

3 結 論

研究采用貝葉斯網絡法，深入分析了電源變電站的供電可靠性，通過實驗驗證了本文方法的可行性，為電源變電站穩定供電提供了有效的幫助，也為供電可靠性分析研究提供了一定的參考價值。